孫鵬程孫 濤田 冰

(1.丹東東測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000；2.亞泰集團(tuán) 丹東交通水泥有限公司，遼寧 丹東118000)

0 引言

第二次世界大戰(zhàn)之前人們就已經(jīng)發(fā)覺(jué)來(lái)自高壓輸電線路與變配電站的電磁輻射污染，隨著世界工業(yè)大繁榮的到來(lái)，輸電線路、鐵路網(wǎng)線和地下鐵道遍布各地，高壓電磁場(chǎng)輻射危害才真正引起廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的需要，電網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)急速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，大型變電站和高壓輸電線路已深入到城鄉(xiāng)各地。高壓變電站、輸電線路帶來(lái)現(xiàn)代文明的同時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射已引起環(huán)保、電力等相關(guān)部門的高度重視。

1 強(qiáng)電磁場(chǎng)的危害

電力網(wǎng)電磁效應(yīng)主要通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電暈三種形式發(fā)生。其影響主要表現(xiàn)為對(duì)人體健康的危害及對(duì)通信、設(shè)備的干擾。

1.1 對(duì)人體的危害

電磁輻射對(duì)人體的危害性表現(xiàn)為生物學(xué)熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。當(dāng)電磁波作用于人體時(shí)，一部分被人體吸收，吸收的電磁波能量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)人體就會(huì)發(fā)熱，這就是電磁波的熱效應(yīng)。低強(qiáng)度的電磁波長(zhǎng)期作用于人體，雖然人體溫度沒(méi)有明顯升高，但往往會(huì)出現(xiàn)一些生理反應(yīng)，如心率和血壓的改變、失眠、健忘等，這是電磁波的非熱效應(yīng)。輸電線路電磁場(chǎng)對(duì)人體的影響主要分為兩類：短期影響和長(zhǎng)期影響。

1.1.1 短期影響

短期影響即人在電磁場(chǎng)中短期停留時(shí)可能受到的影響。其表現(xiàn)形式有兩種：毛發(fā)顫動(dòng)和電擊。這些現(xiàn)象都是由人體或車輛等導(dǎo)電物體上的感應(yīng)電壓或電流造成的，感應(yīng)電壓的大小與外電場(chǎng)的強(qiáng)度以及導(dǎo)電物體的外形尺寸成正比。人體的毛發(fā)顫動(dòng)隨著外電場(chǎng)的強(qiáng)度增大而增強(qiáng)，甚至產(chǎn)生刺痛感。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在2-3kV/m的場(chǎng)強(qiáng)下，少于5%的人員能感到頭發(fā)顫動(dòng)，但在9kV/m的場(chǎng)強(qiáng)下，約有20%的人員會(huì)產(chǎn)生頭發(fā)刺痛感。毛發(fā)顫動(dòng)雖然不會(huì)造成人體損傷，但仍會(huì)對(duì)人員的心里造成一定的影響。

電擊現(xiàn)象可分為暫態(tài)電擊和穩(wěn)態(tài)電擊。暫態(tài)電擊是由于感應(yīng)帶電物體與接地物體接觸時(shí)帶電體上的積累電荷瞬間釋放而造成，即火花放電。其電擊水平主要取決于放電能量的大?。悍烹娔芰看笥?.1mj時(shí)，人感到刺痛；放電能量為0.5-1.5MJ時(shí)，則會(huì)引起不自覺(jué)的肌肉反應(yīng)，但不至于造成傷害；達(dá)到25-50J時(shí)，人體將會(huì)受損（如燒傷）；超過(guò)50J時(shí)即有生命危險(xiǎn)。人體的外形尺寸有限，在超高壓輸電線路下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較低，接地時(shí)的電擊通常小于人的感覺(jué)水平。然而在距550kV輸電線路中心35m的范圍內(nèi)，人若接觸對(duì)地絕緣的小汽車則會(huì)產(chǎn)生有刺痛感的電擊，接觸大型車輛或其他大型絕緣體則會(huì)產(chǎn)生陰氣驚跳的電擊。

穩(wěn)態(tài)電擊是指暫態(tài)電擊發(fā)生后，人體與感應(yīng)帶電導(dǎo)體繼續(xù)牢固接觸，短路電流在人體中持續(xù)流過(guò)而造成電擊。其電擊水平取決于短路電流的大小，即與外電場(chǎng)的強(qiáng)度和導(dǎo)體的外形尺寸成正比：短路電流大于0.8-1.1mA時(shí)，人員趕到刺痛；超過(guò)2mA，則會(huì)引起肌肉反應(yīng)；達(dá)到6-9mA時(shí)，已足以造成人體損傷，但人員尚能自己擺脫，因而也稱為擺脫電流。我國(guó)500kV輸電線路下，解放牌卡車的短路電流約為2.2mA，黃河牌卡車約為2.6mA，均小于可能導(dǎo)致傷害和危險(xiǎn)的擺脫電流。

1.1.2 長(zhǎng)期影響

長(zhǎng)期影響即人在電磁場(chǎng)中長(zhǎng)期生活或工作時(shí)可能受到的影響。美國(guó)、日本、加拿大、俄羅斯及瑞典等國(guó)都組織人員對(duì)工頻電磁場(chǎng)的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。如瑞典斯德哥爾摩卡洛里斯大學(xué)的專家對(duì)43萬(wàn)名長(zhǎng)期居住在高壓線、高壓送變電站附近的居民健康進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明，其中15歲以下的兒童白血病患者比一般兒童高出4倍以上。瑞典科研人員還分析了400kV高壓線附近居民中嬰幼兒白血病及腦癌的發(fā)病率，認(rèn)為其與高壓線下一定距離內(nèi)產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)有關(guān)系。

近年來(lái)人們對(duì)工頻電磁場(chǎng)同腫瘤、白血病、癌癥等發(fā)生率的關(guān)系，對(duì)生殖和發(fā)育的影響，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響等都正在進(jìn)行深入研究。同時(shí)，工頻電磁場(chǎng)的細(xì)胞及分子水平的生物學(xué)效應(yīng)及其對(duì)基因表達(dá)的影響也不斷被發(fā)現(xiàn)。

1.2 對(duì)通信線路的干擾影響

輸電線路電磁輻射對(duì)通信線路的影響包括靜電感應(yīng)和磁影響。距離輸電線路50m以內(nèi)，電場(chǎng)是干擾通訊的主要因素，磁場(chǎng)的影響較小，相比較之下可以忽略不計(jì)。電場(chǎng)的影響隨著距離的增大顯著下降，距離輸電線路100m以外磁影響上升為主要因素，靜電影響則可以忽略不計(jì)。

當(dāng)通信線路上感應(yīng)電壓形成短路電流時(shí)，還可能對(duì)人員、設(shè)備的安全造成威脅。危害程度取決于電流強(qiáng)度和作用時(shí)間；作用時(shí)間越長(zhǎng)，人體所能承受的電流強(qiáng)度就越小。正常情況下，如果平行接近段不是很長(zhǎng)，一般不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。但是當(dāng)輸電線路短路、故障短路以及遭雷擊時(shí)，輸電電壓或電流就可能瞬間升高幾倍，從而對(duì)人員和設(shè)備造成威脅。在系統(tǒng)中設(shè)置完善的保護(hù)裝置及減小平行接近段長(zhǎng)度都是有效的防止措施。

2 電場(chǎng)分布

晴朗的天氣時(shí)自然界的電場(chǎng)強(qiáng)度僅為130V/m，雷暴雨等惡劣天氣時(shí)能達(dá)到10kV/m。通常我們周圍環(huán)境中的電場(chǎng)強(qiáng)度均在100V/m以下，只有使用電器時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度才較大。但輸電線路所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度要比自然界和日常環(huán)境中的大得多，因此研究輸電線路電場(chǎng)分布尤為必要。

高壓、超高壓輸電線路周圍都存在頻率為50Hz的交流電場(chǎng)，即工頻電場(chǎng)，三相交流輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)雖然是交變電場(chǎng)，但其頻率極低，它具有靜電場(chǎng)的一般特性：電場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)線上的電壓成正比；電場(chǎng)易受進(jìn)入工頻廠內(nèi)的物體影響，引發(fā)畸變，從而產(chǎn)生一定的屏蔽作用。

高壓輸電線路下的空間電場(chǎng)強(qiáng)度是指被感應(yīng)物體或人體沒(méi)有進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)離地面2m以內(nèi)所形成的電。輸電線沿線路方向距中央距離處導(dǎo)線的對(duì)地高度不同，因而相應(yīng)各個(gè)橫向截面內(nèi)的電場(chǎng)分布也不相同。線路檔距兩端的懸掛高度相近時(shí)，檔距中央導(dǎo)線的弧垂最大，導(dǎo)線對(duì)地高度最小，線下場(chǎng)強(qiáng)最大，工程上常用該處橫向截面內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布來(lái)表征輸電線路的電場(chǎng)分布。事實(shí)上，輸電線路在一檔距之內(nèi)是按懸鏈線變化的，從而在檔距以內(nèi)地面附近的電磁場(chǎng)分布是不均勻的，檔距中央導(dǎo)線弧垂最大處地面場(chǎng)強(qiáng)最大，向檔距兩端桿塔接近時(shí)場(chǎng)強(qiáng)隨之減弱。可通過(guò)測(cè)量檔距中心附近到心啊橫截面上場(chǎng)強(qiáng)分布來(lái)估算該輸電線路下電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。

輸電線路下及附近沒(méi)有其他物體存在時(shí)，僅由輸電線路導(dǎo)線所帶電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)稱未畸變電場(chǎng)。若有其他導(dǎo)電物體，如車輛或行人，其會(huì)改變導(dǎo)體周圍的原有電場(chǎng)，稱為畸變電場(chǎng)。一般而言，空間工頻電場(chǎng)很容易受進(jìn)入工頻電廠內(nèi)的物體影響，引發(fā)畸變而變得更為復(fù)雜。所以評(píng)價(jià)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)人體的影響和危害是有很大難度的。對(duì)此測(cè)量時(shí)人體必須遠(yuǎn)離被測(cè)線路1.5m以上以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3 磁場(chǎng)分布

交流輸電線路運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體中的負(fù)荷電流在周圍空間產(chǎn)生工頻磁場(chǎng)。與電場(chǎng)不同，50Hz的工頻磁場(chǎng)很容易穿透大多數(shù)物體（如建筑物和人），且不會(huì)受這些物體干擾。

工程上常用磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量來(lái)表征空間某點(diǎn)的工頻磁場(chǎng)。對(duì)單個(gè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，通常其電場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量最大，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量最大。因此，只測(cè)量空間某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量來(lái)表征該點(diǎn)的工頻磁場(chǎng)。

一般輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)較高，而磁場(chǎng)是比較低的。日常生活中，彩電或電炊具附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.5-1.0mT，而500kV輸電線路下的最大地面磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為0.035mT，與前者相比要小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。不同電壓下磁感應(yīng)強(qiáng)度亦不相同，但是隨著距離的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減速度很快，離開(kāi)電纜5m或10m處的強(qiáng)度即可下降到100μT，而架空輸電線路要離開(kāi)50m或i00m才能夠降低到這一水平。

4 設(shè)計(jì)初衷

高壓輸電線路的安全運(yùn)行，不僅關(guān)系到政府、企業(yè)、商業(yè)、市民等安全可靠用電，更關(guān)系到城市的形象和社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。所以說(shuō)變電所中的電力設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì)國(guó)民生產(chǎn)及人民生活有著極其重要的意義。在臨近高壓輸電線路下進(jìn)行工作時(shí)，由于變電所中設(shè)備及線路中是高壓,220Kv，66Kv不等，在如此高電壓的情況下，如果變電站中人員在工作中不經(jīng)意接近高壓電力設(shè)備及線路，便會(huì)發(fā)生弧光放電，不僅會(huì)對(duì)人員造成人身傷害，對(duì)變電站的電力設(shè)備的正常運(yùn)行于產(chǎn)生影響，所以工作人員需要實(shí)時(shí)的知道自己與高壓線路之間的距離是否超限，超過(guò)設(shè)定距離時(shí)可以通過(guò)安全帽語(yǔ)音等提示報(bào)警，直觀發(fā)出高壓輸電線路與空間內(nèi)人體的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系避免事故發(fā)生。

5 設(shè)計(jì)原理

5.1 靜電感應(yīng)

靜電感應(yīng)是指輸電線路電場(chǎng)由于靜電耦合作用而在鄰近的線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小不僅與輸電電壓成正比，而且與他們之間的靜電容量有關(guān)，而靜電容量主要取決于它們之間的距離大小。當(dāng)輸電線路與通信線路距離較近（此時(shí)三相導(dǎo)線與通信線路的距離差異比較顯著）或三相導(dǎo)線換位不對(duì)稱時(shí)，由于三相靜電容量不平衡從而在通信線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)雜音電平超過(guò)一定的限度時(shí)，就會(huì)造成對(duì)正常通信的干擾。

5.2 磁感應(yīng)

輸電線路的交變磁場(chǎng)也會(huì)在臨近的平形線路上產(chǎn)生互感電壓。其電壓大小與輸電電流及平形接近段長(zhǎng)度成正比，同時(shí)與線路之間的相互位置有關(guān)。

本設(shè)計(jì)在安全帽的外部設(shè)置探頭（天線），使探頭與安全帽之間構(gòu)成分體式連接固定結(jié)構(gòu)；在探頭中設(shè)置多個(gè)探頭（天線）感應(yīng)不同的電壓等級(jí)、在安全帽內(nèi)部設(shè)置微處理器控制裝置。集成了電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)模塊、安全距離比較模塊和電源模塊、微處理器等。

本設(shè)計(jì)電源模塊與微處理器連接，向微處理器提供電能，滿足其正常工作需要；電場(chǎng)強(qiáng)度處理模塊與微處理器連接，電場(chǎng)強(qiáng)度處理模塊通過(guò)外部探頭可感應(yīng)當(dāng)前所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度（即距離），電場(chǎng)強(qiáng)度處理模塊輸出的電場(chǎng)強(qiáng)度和微處理器輸出端設(shè)置好的電場(chǎng)強(qiáng)度值送于安全距離比較模塊，將比較好的結(jié)果送至微處理器，由微處理器確定是否觸發(fā)報(bào)警；還包括語(yǔ)音模塊及蜂鳴器和LCD顯示屏幕，語(yǔ)音模塊及蜂鳴器和LCD顯示屏幕都與微處理器的輸出端連接，在微處理器輸出信號(hào)控制下產(chǎn)生LCD屏顯示相關(guān)設(shè)置及警示圖案、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音、語(yǔ)音模塊發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，提醒已經(jīng)進(jìn)入到不安全距離范圍內(nèi)得人員注意，做出相應(yīng)回退反應(yīng)，避免事故發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述的電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)模塊、安全距離比較模塊、微處理器控制電路、LCD驅(qū)動(dòng)及顯示電路以及語(yǔ)音報(bào)警電路均為現(xiàn)有技術(shù)，技術(shù)人員可通過(guò)本設(shè)計(jì)方案，無(wú)需經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)，設(shè)計(jì)制造出該產(chǎn)品大大降低電力系統(tǒng)事故發(fā)生。

［1］張軍，主編.最新電力事故綜合防范與法律事務(wù)綜合處理實(shí)用手冊(cè)[Z].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002，11.

［2］陳化鋼.電力設(shè)備異常運(yùn)行及事故處理[M].中國(guó)水利水電出版社，1999，1.

［3］劉卓敏.電力系統(tǒng)分析[M].西南交通大學(xué)出版社，2009，12.